Fizikçiler, Maxwell’in entropi’yi azaltmak için ünlü düşünce deneyinin bir versiyonunu uyguluyor.
Süper soğutmalı, lazerle yakalanmış atomların üç boyutlu kafesinde azaltılmış entropi; kuantum bilgisayarlarının oluşturulmasına doğru ilerlemenin hızlanmasına yardımcı olabilir. Penn State‘deki araştırmacılardan oluşan ekip, rastgele dağıtılmış bir dizi atomu düzgün bir şekilde organize edilmiş bloklara yeniden düzenleyebilir. Böylece bir “Maxwell’in Cini”*nin işlevini yerine getirebilir.
*1870’lerde termodinamiğin ikinci yasasına meydan okuyan bir düşünce deneyi. Organize edilmiş atom blokları, verileri kodlamak ve hesaplamaları yapmak için yüksüz atomlar kullanan kuantum bir bilgisayarın temeli oluşturabilir.
Penn State Fizik Profesörü David Weiss: “Geleneksel bilgisayarlar; verileri iki eyaletten birinde sıfır olabilen bitler olarak kodlamak için transistörler kullanıyor. Atomları; ‘kuantum bitleri’ veya ‘kubitler’ olarak kullanan kuantum bilgisayarları tasarlıyoruz. Bunlar, birden çok durumda eş zamanlı kalmalarına izin veren, kuantum mekanik olaylara dayanan verileri kodlayabiliyor. Atomları paketlenmiş bir 3D ızgaraya yerleştirmek, onları çok küçük bir alan haline getiriyor ve hesaplamayı daha kolay ve verimli kılıyor.”
Termodinamiğin ikinci kanunu; bir sistemin (düzensizlik olan entropisinin) zamanla azalmayacağını belirtir. Bu yasanın sonuçlarından biri; sürekli bir hareket cihazı olasılığını engellemesidir. 1870’lerde James Clerk Maxwell; ‘cin’in iki gaz odası arasında bir kapıyı açıp kapatabildiği ve böylece daha sıcak atomların bir yöne ve daha soğuk atomların da diğer tarafa geçmesine izin verdiği bir deneyi önerdi. Enerji girişi gerektirmeyen bu sıralama; sistemdeki entropinin azalmasına ve işi gerçekleştirmek için de bir ısı pompası olarak kullanılabilen iki oda arasındaki sıcaklık farkına neden olacaktır. Böylece de ikinci yasayı ihlal edecektir.
Weiss: “Daha sonraki çalışmalar; ‘cin’in aslında ikinci yasayı ihlal etmediğini ve daha sonra ‘cin’ gibi davranan deneysel sistemler geliştirmek için birçok girişimde bulunulduğunu gösterdi. Çok küçük ölçeklerde bazı başarılar oldu, ama çok sayıda atomu manipüle edebileceğimiz bir sistem oluşturduk. Onları, tıpkı ‘cin’ gibi, sistemin entropisini azaltacak şekilde düzenledik.”
Araştırmacılar, atomları 5 boyutlu 5 x 5 küp şeklinde düzenlenmiş 125 pozisyonda üç boyutlu bir kafes içinde yakalayıp, soğutmak için kullanırlar. Daha sonra kafeslerdeki pozisyonların yarısını rastgele atomlarla doldururlar. Lazer tuzaklarının polarizasyonunu ayarlayarak; araştırmacılar atomları tek tek veya gruplar halinde hareket ettirebilir ve rastgele dağılan atomları yeniden düzenleyerek, kafesi 5 x 5 x 2 veya 4 x 4 x 3 oranında doldurabilir.
Weiss: “Atomlar mümkün olduğu kadar düşük bir sıcaklıkta soğutulduğundan; sistemin entropisi neredeyse tamamen kafes içindeki atomların rastgele konfigürasyonuyla tanımlanır. Atomların süper soğutulmadığı sistemlerde; atomların titreşimi, sistemin entropisinin çoğunluğunu oluşturur. Böyle bir sistemde; atomları organize etmek, entropiyi değiştirmek için çok az şey yapar. Fakat bizim denememizde, atomları organize etmenin, sistem içindeki entropiyi yaklaşık 2,4 kat artırdığını gösterdi.”